LED-Licht und physikalische Größen
von Heinz D.
Ein
Blick auf die Umwandlung physikalischer Größen in elektrische und
umgekehrt, fast ohne Formeln. Die Grafiken stammen aus frei verfügbaren
Datenblättern und Schulungsunterlagen von Agilent, Avago, Kingbright,
Philips usw. Dieser Beitrag soll helfen, Beleuchtung, Licht-Sensoren
und deren Datenblätter zu verstehen.
Die Farbe
Seit
es Farbfernseher gibt, weiß jeder, das mit den drei Grundfarben Rot,
Grün und Blau jede andere Farbe/Farbschattierung erzeugt werden kann,
indem die Helligkeit gesteuert und die drei Farben in einem Punkt/Pixel
konzentriert werden. Jede Einzelfarbe ist durch ihre Wellenlänge genau
fest gelegt.
Je kürzer die Wellenlänge (Blau) umso höher ist die Energie der
Photonen (in Elektronenvolt {eV}):
Blau~470nm = 1240/470=2,64eV
Grün~550nm = 1240/550=2,26eV
Rot ~630nm = 1240/630=1,97eV
Wenn
unsere Augen bei grün 100% empfindlich sind, dann sind sie für Rot und
Blau nur noch etwa 10% so empfindlich. Für Ultraviolett<400nm
und
Infrarot>700nm benötigen wir Sensoren.
Bei
der Farbmischung Rot-Grün-Blau fällt auf, das nur wenig grün
erforderlich ist, wg. der Augenempfindlichkeit. Weißes Licht kann auch
durch Mischen von blau und gelb erreicht werden.
Die Helligkeit
Inzwischen
findet man auf Glühbirnenpackungen die Lumen-Angabe,
(Gesamt-)Lichtstrom phi {lm}. Meist möchte man jedoch die Helligkeit in
einer bestimmten Entfernung wissen. Beispiel: Eine 'alte'
100W-Glühbirne hat etwa 1250lm. Sie strahlt fast in alle Richtungen
(360°). Hängen wir die Birne in 1m Höhe über einen 1m*1m Tisch, so
können wir rechnen -> Kugeloberfläche bei 1m Radius = 4*pi * r*r
=
12,566m*m. Obwohl der Tisch nicht konkav ist, können wir annehmen, das
etwa 1250lm / 12,566m*m = 100lm/m*m auf den Tisch entfallen. Damit
haben wir auch die Beleuchtungsstärke E in Lux {lx} errechnet
(Lichtstrom pro Fläche) -> 100lx. Mit Reflektoren und Linsen
kann
der Gesamtlichtstrom auf die Arbeitsfläche gerichtet werden, sodass
wesentlich höhere Beleuchtungsstärken erreicht werden.
Bei
LED's wird oft die Lichtstärke I in Candela {Cd} angegeben, weil die
Umrechnung in Lx bei 1m Entfernung einfach ist -> E=I/(r*r)
->
100Cd/(1m*1m) = 100Lx. Insbesondere bei LED's ist die Lichtstärke mit
der Angabe des Leuchtwinkel wichtig. Der Gesamtlichstrom phi einer
40000 mCd-LED mit 8° kann dann niedriger sein, als der einer 10000
mCd-LED mit größerem Abstrahlwinkel. (Wer es genauer wissen will, muss
sich nochmal mit den Abschnitten der Kugeloberfläche beschäftigen.)
Die
maximale Lichtausbeute ist für L=555nm (grün = max. Empfindlichkeit des
Auges) mit 683 lm/W definiert. Nach den Vorstellungen der EU sollen
weiße LED irgendwann 200 lm/W erreichen. Meine letzte weiße E27-Lampen
hatte 10W/810lm/LED = 81 lm/W. (100W Glühbirne -> 12lm/W)
Die (farbige) LED
Durch
die Kombination der verschiedenen Materialien des PN-Übergangs ist man
heute in der Lage fast jede Farbe gezielt zu erzeugen. Sind die
Bandabstände groß, werden (Ultra-)violette Photonen emittiert, bei
kleineren Bandabständen werden (Infra-)rote Photonen erzeugt. Es ist
daher nicht verwunderlich, dass die Spannungen am PN-Übergang einer LED
je nach Farbe in etwa den oben erwähnten Energieniveaus der Photonen
entspricht!!! Bei einer blau-violetten LED, die auch bei weißen LED
(mit gelbem Farbstoff) verwendet wird, ist eine Spannung von
>2,7V
erforderlich. Eine Grüne braucht etwa 2,2V und eine (Infra-)rote
benötigt <1,9V. Ab sofort sollte es kein Problem sein, die Farbe
anhand der Spannung und umgekehrt abzuschätzen. Außer bei Laserdioden
haben die LED eine gewisse Bandbreite durch Rauschen. Eine gelbe LED
strahlt auch rot und grün mit geringerer Intensität (550-630nm). Eine
Grüne links und rechts von 550nm und eine Blaue entsprechend. Dadurch
sind die Spannungen nicht sklavisch genau. Eine weiße Led (10W) hat ein
durchgehendes Spektrum, während eine Leuchtstoff-Lampe aus deutlich zu
unterscheidenden Einzelfrequenzen besteht.
Am
Beispiel der LD271 IR-LED kann man sehen, das die physikalische
Spannung nur bei kleinen Strömen stimmt. Der Innenwiderstand Ri
verursacht einen erheblichen zusätzlichen Spannungsabfall. Mit anderen
Worten, bei 10-fachem Strom steigt die Spannung am p-n-Übergang nur um
~10% (log), am Ri (linear) verzehnfach sich der Spannungsabfall und P
ist (10*10) 100-mal so groß. Impulsbetrieb macht nur für
Datenübertragung Sinn, für Beleuchtung (Mittelwert) nicht.
Die (Licht-) Sensoren
Der
bekannteste Sensor ist die Solarzelle und besteht aus einem
PN-Übergang. Somit sind alle Dioden, LED und Transistoren
lichtempfindlich. Verschiedene Materialien des Alltags sind für
verschiedenen Wellenlängen undurchlässig. Die meisten klaren
Kunststoffe (Plexiglas) sind lichtdurchlässig bis etwa 400nm, für UV
also nicht. Fensterglas (Mikroskop-Gläser) sind für Infrarot (ab
~700nm) undurchlässig.
BPW34
BPW21
BPW61
Ein
universeller Sensor ist die BPW34. Im Datenblatt sieht man die
Empfindlichkeits-Kurve von ~400nm bis ~1000nm. Die hohe Empfindlichkeit
für (Infra-)rot stört bei Messungen der Helligkeit von Glühbirnen und
Sonnenlicht, weil die Wärmeabstrahlung für unser Auge kein
Helligkeitsgewinn darstellt. Durch Filtern mit einem Mikroskopglas
erreicht man fast die gleiche Eigenschaft des Tageslichtsensors BPW21.
LED's
sind als Sensor eingeschränkt tauglich. Klare Gehäuse halten UV zurück.
Gefärbte Gehäuse dämpfen die jeweils anderen Farben. Bei weißen LED ist
der Farbstoff nutzlos für Farben von grün bis IR (~500-1000). Sie sind
daher meist nicht besser als blaue. LED's sind nicht ausschließlich für
ihre Farbe empfindlich!
Ein weiterer Sensor ist der LDR
(Lichtempfindlicher Widerstand R). Er besteht meist aus Cadmium-Sulfit
(CdS). Bei Beleuchtung verringert er seinen Widerstand. Obwohl jedes
Photon die Leitfähigkeit verbessern sollte (=linear), ist auch der LDR
für (Infra-)rot empfindlicher.
Ein RGB-Sensor
(180381-SMD_RGB_FARBSENSOR) wird erst durch Farbfilter nützlich.
Dahinter sind normale 'Solarzellen' angebracht. Man misst (wie beim
BPW21/34) den Sperrstrom, der sich linear verhält, nicht die Spannung,
die sich fast logarithmisch verhält.
Da die Farbfilter nicht rechteckig/scharfkantig sind, werden auch
Ströme bei den Nachbarfarben verursacht.
Es
macht Spaß sich mit LED-Beleuchtung zu beschäftigen. Etwa 90% der
Gesamtenergie wird für Heizung und Fortbewegung gebraucht, 9% für
Maschinen in der Produktion und nur 1% für die Beleuchtung!
Nachtrag: LEDs für Beleuchtungszwecke von B.K.
Die
ersten LEDs hatten schlechte Wirkungsgrade und taugten nur als
Kontrolllämpchen. Das hat sich inzwischen so gründlich geändert, dass
LED zu den effizientesten Lichtquellen gehören. Sie werden gern für Solarlampen und Taschenlampen
verwendet. Der Anteil der LED-Leuchtmittel im Wohnbereich steigt
ständig an, ein wichtiger Beitrag zum Energiesparen. Und es werden
inzwischen immer öfter auch kleinere LED-Beleuchtungen für
Dekorationszwecke oder zur Treppenbeleuchtung
eingesetzt. So etwas gab es zwar auch schon mit Glühlämpchen, aber da
musste man die Wärmeentwicklung und die leichte Austauschbarkeit
berücksichtigen. Das ist bei LED-Beleuchtungen anders, man kann sie
fest einbauen und hoffen, dass sie quasi ewig halten.
Nachtrag: LEDs als Lichtsensoren
www.umnicom.de/Elektronik/Projekte/Wetterstation/Sensoren/Spektrometer/Spektrometer.htm
Schon vor 10 Jahren hat sich Uwe
Mnich auf seiner Seite www.umnicom.de/ die
Mühe gemacht LDR und
LED als Lichtsensoren für seine Wetterstation zu untersuchen.
LDR's
sind, wie ich vermutete, für den sichtbaren Bereich (Material 'CdS60'
für 600n)
bis zum nahen IR empfindlich, für UV weniger (grüne und violette
Kurve).
Glühbirnen und Sonnenlicht können auch hier höhere Helligkeiten
vortäuschen. Das
Material 'CdS72' ist für 720nm max. empfindlich. Im PDF von Conrad
183563 finden
Sie weitere Hinweise zum LDR.
Sie sehen dort, dass LEDs meist
(nicht immer) für kürzere
Wellenlängen, als die emittierte Farbe empfindlich sind. Da die
kürzeren
Wellenlängen energiereicher sind, ist der Zusammenhang logisch. Es gibt
keine
allgemein gültige Regel! Betrachtet man nur die gemessenen roten LED,
sind die
verschiedenen Typen von orange bis UV als Empfänger empfindlich. Die
gemessene
weiße LED ist auffällig für (Ultra-)violett und IR empfindlich, nicht
für das
sichtbare Spektrum!
Leider wurde die Empfindlichkeit der
LED nicht mit
Photodioden verglichen. Deshalb gibt es keine Nachbau-Empfehlung, die
bezüglich
der Farbe und Empfindlichkeit reproduzierbar ist. Ein fertiger
RGB-Sensor macht
nicht so viel Arbeit, außer der Tatsache, dass er nur sehr sehr kleine
Ströme
(5nA-..!) abgibt. Das bedingt eine saubere Verdrahtung.
www.umnicom.de/Elektronik/Schaltungssammlung/Licht/Emission/Spektren.htm
